本專利申請(qǐng)要求于2014年8月26日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?2/042,101和于2014年8月25日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?2/041,270的權(quán)益，其全部?jī)?nèi)容均通過(guò)引用并入全文作為參考。

關(guān)于聯(lián)邦政府資助的研發(fā)的聲明

本發(fā)明是在由美國(guó)能源部授予的GQ10044-133945的政府支持下進(jìn)行的。政府享有本發(fā)明的某些權(quán)利。

發(fā)明背景

在過(guò)去幾十年中出現(xiàn)的一個(gè)重要方法是設(shè)計(jì)基于C-H活化反應(yīng)的用于烴的氧化性官能化的分子(均相)催化劑或試劑。這涉及使可再生的M-X催化劑或試劑(M是處于氧化狀態(tài)的主族元素；X是一個(gè)或多個(gè)平衡電荷的抗衡離子)與烴(R-H)的C-H鍵在相對(duì)溫和的條件下反應(yīng)，以選擇性地產(chǎn)生M-R中間體，其可以在使M-X再生的情況下轉(zhuǎn)化為期望的R-X產(chǎn)物(方程1)。

在均相和非均相催化劑的該研究領(lǐng)域已經(jīng)做出了巨大努力，并且近年來(lái)已取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。關(guān)于均相體系的大部分工作主要基于過(guò)渡金屬(具有未填充的d殼，d^<10)，例如Pt、Pd、Rh和Ir。相比之下，對(duì)于具有已填充的d殼(d¹⁰)的經(jīng)典主族元素的研究則相對(duì)較少。1993年，Periana報(bào)道了主族金屬陽(yáng)離子Hg^II在超強(qiáng)酸溶劑，濃H₂SO₄和CF₃SO₃H中用于使甲烷直接轉(zhuǎn)化成甲醇酯的實(shí)例(Periana et al.,Science 259,340-343(1993))；還參見(jiàn)國(guó)際專利申請(qǐng)WO 92/14738)。盡管Hg^II系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但由于缺乏在更可行的更弱的酸介質(zhì)如CF₃CO₂H(TFAH或HTFA)、CH₃CO₂H(HOAc)或水性酸(其中產(chǎn)物分離是可行的)中的反應(yīng)，對(duì)其沒(méi)有進(jìn)行進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)。另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是使用Hg^II體系時(shí)乙烷和丙烷的反應(yīng)沒(méi)有選擇性。

發(fā)現(xiàn)Tl^III對(duì)使甲烷氧化成酯是有活性的。然而，僅在超強(qiáng)酸性介質(zhì)中且僅在甲烷的情況下研究了該活性。主要由于認(rèn)識(shí)到Tl^III(E^o＝1.2V)和Pb^IV(E^o＝1.5V)是比Hg^II(E^o＝0.9V)更強(qiáng)的氧化劑和親電子試劑，所以沒(méi)有在TFAH中或?qū)Ω呒?jí)烷烴研究Tl^III或Pb^IV體系。參見(jiàn)例如A.J.Bard,R.Parsons,J.Jordan,Standard Potentials in Aqueous Solution.(International Union of Pure and Applied Chemistry,New York,NY,1985)。因此，基于當(dāng)時(shí)的一般考慮，這些主族陽(yáng)離子被理解為比Hg^II更可能引發(fā)與高級(jí)烷烴的非選擇性自由基反應(yīng)，并被更弱的更親核的酸溶劑抑制。這種預(yù)期的強(qiáng)的親電子試劑在弱酸介質(zhì)中缺乏反應(yīng)性的模型也似乎與在早期的關(guān)于Pt聯(lián)嘧啶復(fù)合物的工作中的觀察一致，發(fā)現(xiàn)Pt(II)狀態(tài)在超強(qiáng)酸介質(zhì)中有活性，而可爭(zhēng)論地，更親電的Pt(IV)狀態(tài)是非活性的。

類似地，沒(méi)有將苯轉(zhuǎn)化為苯酚的直接方法。通常通過(guò)包括添加丙烯、氯等的間接方法來(lái)制備苯酚。直接方法是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)橹T如苯的芳烴的官能化通常涉及低選擇性。

因此，期望提供一種這樣的方法，其使諸如雜烷烴和芳烴的化合物被選擇性地和直接地官能化，而不產(chǎn)生顯著量的副產(chǎn)物和廢物，并且不需要昂貴的過(guò)渡金屬催化劑。

發(fā)明概述

本發(fā)明提供了制備官能化的化合物的方法，該方法包括：

(a)提供雜烷烴或芳烴化合物，

其中

雜烷烴包含至少一個(gè)帶有氫原子的sp³-雜化的碳原子和至少一個(gè)不同于碳或氫原子的雜原子，且

芳烴包含至少一個(gè)帶有氫原子的sp²-雜化的碳原子，并且任選包含

(i)一個(gè)或多個(gè)sp³-雜化的碳原子，

(ii)一個(gè)或多個(gè)雜原子，或

(iii)(i)和(ii)兩者，

(b)使該化合物與以下物質(zhì)接觸以提供初始反應(yīng)產(chǎn)物，

(i)包含氧化形式的主族元素的氧化性親電子試劑，或

(ii)氧化劑和氧化性親電子試劑的還原形式，和

(c)使初始反應(yīng)產(chǎn)物與官能化反應(yīng)物接觸，其中官能化反應(yīng)物的官能化部分替代初始反應(yīng)產(chǎn)物上的氫以提供官能化的化合物。

附圖的幾個(gè)視圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1是所提出的用于烴(RH)通過(guò)CH活化反應(yīng)向相應(yīng)的酚(ROH)的總轉(zhuǎn)化的反應(yīng)機(jī)理。

圖2是用空氣將雜烷烴或芳烴(RH)連續(xù)部分氧化成ROH的簡(jiǎn)化工藝流程圖的示例。

圖3是在可連續(xù)產(chǎn)生產(chǎn)物的切換反應(yīng)器體系中使用MX_n作為可空氣再循環(huán)的化學(xué)計(jì)量氧化劑將雜烷烴或芳烴(RH)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的醇(ROH)的簡(jiǎn)化工藝圖。

圖4是顯示正丁基TFA與C₆F₅I(TFA)₂的反應(yīng)結(jié)果的核磁共振(NMR)光譜。

發(fā)明詳述

通過(guò)本文公開(kāi)和要求保護(hù)的方法和組合物，提供了可行的工業(yè)方法，以將雜烷烴(例如醇、酯、鹵代烴、羧酸、羧酰胺等)和芳烴(例如芳基和雜芳基)轉(zhuǎn)化為C-H鍵替代產(chǎn)物，例如反應(yīng)底物的羥基化、胺化、鹵化或羰基化的衍生物。氧化形式的反應(yīng)性主族元素(M)(例如MX_n)可以帶來(lái)?yè)?jù)信是初始親電子的C-H鍵活化反應(yīng)的反應(yīng)。該反應(yīng)可以通過(guò)不同的機(jī)理(例如通過(guò)自由基或其它機(jī)理)進(jìn)行，且產(chǎn)生等同于C-H鍵反應(yīng)產(chǎn)物的產(chǎn)物。在形成活化的中間體并轉(zhuǎn)化為官能化的雜烷烴或芳烴后，可以回收還原形式的試劑M，以再循環(huán)回反應(yīng)性的氧化狀態(tài)(例如MX_n)。本文公開(kāi)和要求保護(hù)的試劑和方法的反應(yīng)性允許該方法在沒(méi)有昂貴的或難以處理的超強(qiáng)酸的存在下進(jìn)行，這是迄今為止尚未實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。通過(guò)本文所述的發(fā)明人的發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)設(shè)計(jì)了具有原位或非原位試劑再循環(huán)的低溫、低壓和可持續(xù)的方法，其提供了替代先前已知方法(例如從低級(jí)烷烴生產(chǎn)低級(jí)醇如甲醇的合成氣方法)的經(jīng)濟(jì)上和環(huán)境上有吸引力的工業(yè)規(guī)模的方法。

因此，本發(fā)明提供了制備官能化的化合物的方法，該方法包括：

(a)提供雜烷烴或芳烴化合物，

其中

雜烷烴包含至少一個(gè)帶有氫原子的sp³-雜化的碳原子和至少一個(gè)不同于碳或氫原子的雜原子，且

芳烴包含至少一個(gè)帶有氫原子的sp²-雜化的碳原子，并且任選包含

(i)一個(gè)或多個(gè)sp³-雜化的碳原子，

(ii)一個(gè)或多個(gè)雜原子，或

(iii)(i)和(ii)兩者，

(b)使該化合物與以下物質(zhì)接觸以提供初始反應(yīng)產(chǎn)物，

(i)包含氧化形式的主族元素的氧化性親電子試劑，或

(ii)氧化劑和氧化性親電子試劑的還原形式，和

(c)使初始反應(yīng)產(chǎn)物與官能化反應(yīng)物接觸，其中官能化反應(yīng)物的官能化部分替代初始反應(yīng)產(chǎn)物上的氫以提供官能化的化合物。

氧化性親電子試劑作為試劑在非超強(qiáng)酸體系中的使用代表了一種驚人的發(fā)現(xiàn)，其提供了使用工業(yè)上可用的物質(zhì)的雜烷烴或芳烴氧化體系。

在該方法中，待官能化的化合物是如本文所述的雜烷烴或芳烴。

本反應(yīng)的“雜烷烴”底物是包括至少一個(gè)sp³-雜化的碳原子的分子，其中該碳原子的至少一個(gè)取代基是氫原子，使得存在C-H鍵。雜烷烴的烷烴部分是指含有例如約1至約16個(gè)碳原子(例如約1至約12個(gè)碳原子，約1至約10個(gè)碳原子，約1至約8個(gè)碳原子，約1至約6個(gè)碳原子或約1至約4個(gè)碳原子)的直鏈或支鏈烷基取代基。雜烷烴另外包含至少一個(gè)“雜原子”，即不是碳或氫的原子。雜原子的實(shí)例包括諸如氧、氮、硫、鹵素(例如氯)和/或金屬(例如錫)的元素的原子。因此，作為本文中使用的術(shù)語(yǔ)的雜烷烴底物可以是例如烷基甲醇、烷基胺、鹵代烴或有機(jī)金屬化合物?？捎糜诒景l(fā)明方法的實(shí)踐的雜烷烴底物的實(shí)例包括醇(例如正丙醇或正丁醇)和包含醚氧、酯或酰胺基團(tuán)的化合物。例如，本發(fā)明的方法可用于提供雜烷烴如丁醇、鹵代丁烷和丁?；衔锶珲ズ王０返姆磻?yīng)產(chǎn)物。

“官能化的”雜烷烴是雜烷烴底物的衍生物，其中帶有氫原子的sp³-雜化的碳原子在該C-H鍵處發(fā)生反應(yīng)，以產(chǎn)生官能化的雜烷烴產(chǎn)物，其包含雜烷烴結(jié)構(gòu)，但其中sp³-雜化的碳原子帶有官能(即非氫)基團(tuán)。例如，除了被氧化/水解以產(chǎn)生相應(yīng)的烷基醇之外，雜烷烴還可以進(jìn)行其它反應(yīng)，例如通過(guò)與肼或其它含氮試劑反應(yīng)產(chǎn)生胺。可以從初始反應(yīng)產(chǎn)物獲得其它產(chǎn)物，例如錫烷化、硫醇化、氧膦基化、羰基化、消除和/或鹵化反應(yīng)的產(chǎn)物。

本文所用的術(shù)語(yǔ)“芳烴”是指包含至少一個(gè)帶有氫原子的sp²-雜化的碳原子的有機(jī)化合物，其中芳烴化合物可進(jìn)一步包含(i)一個(gè)或多個(gè)sp³-雜化的碳原子；(ii)一個(gè)或多個(gè)雜原子；或(iii)(i)和(ii)兩者。術(shù)語(yǔ)“芳烴”包括“芳基”和“雜芳基”環(huán)體系。

術(shù)語(yǔ)“芳基”是指未取代或取代的芳香性碳環(huán)部分，如本領(lǐng)域中通常理解的，并且包括單環(huán)和多環(huán)芳香性化合物，例如苯、聯(lián)苯、萘、蒽、芘等。芳基部分通常含有例如6至30個(gè)碳原子，6至18個(gè)碳原子，6至14個(gè)碳原子或6至10個(gè)碳原子。應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)Hückel規(guī)則，術(shù)語(yǔ)芳基包括平面的且包含4n+2個(gè)π電子的碳環(huán)部分，其中n＝1、2或3。芳基可以是取代的或未取代的，如本文所述。

術(shù)語(yǔ)“雜芳基”是指芳香性5或6元單環(huán)基團(tuán)，9或10元雙環(huán)基團(tuán)和11至14元三環(huán)基團(tuán)，其在至少一個(gè)環(huán)中具有至少一個(gè)雜原子(O、S或N)。含有雜原子的雜芳基的每個(gè)環(huán)可以含有一個(gè)或兩個(gè)氧或硫原子和/或一至四個(gè)氮原子，條件是每個(gè)環(huán)中雜原子的總數(shù)為四個(gè)或更少，且每個(gè)環(huán)具有至少一個(gè)碳原子。構(gòu)成雙環(huán)和三環(huán)基團(tuán)的稠環(huán)可以僅含有碳原子，并且可以是飽和的、部分飽和的或不飽和的。氮和硫原子可以任選地被氧化，并且氮原子可以任選地被季銨化。雙環(huán)或三環(huán)的雜芳基必須包括至少一個(gè)完全芳香性的環(huán)，但其它稠環(huán)可以是芳香性或非芳香性的。雜芳基可以在任何環(huán)的任何可用的氮或碳原子處連接。雜芳基的說(shuō)明性實(shí)例是喹啉、吡啶、噠嗪、嘧啶、吡嗪、苯并咪唑、三嗪、咪唑、(1,2,3)-和(1,2,4)-三唑、吡嗪、四唑、呋喃、吡咯、噻吩、異噻唑、噻唑、異噁唑和噁二唑。雜芳基可以是取代的或未取代的，如本文所述。

芳烴可以任選地被一個(gè)或多個(gè)雜原子，一個(gè)或多個(gè)烷基等取代。雜原子的實(shí)例包括以下諸如氧、氮、硫、鹵素(例如氯)和/或金屬(例如錫)的元素的原子，例如芳基或雜芳基醇(酚)、烷氧基、酯、胺、硫醇、鹵代烴、羧酸和羧酰胺。合適的芳烴底物的實(shí)例包括芳基，例如苯、萘、酚、酚醚、苯胺的衍生物、鹵代芳基化合物等。合適的芳烴底物的其它實(shí)例包括雜芳基，例如吡啶、喹啉、吡咯、吲哚、噻吩等。在一個(gè)實(shí)施方案中，芳烴是苯、吡啶、喹啉或萘，其各自任選被取代。

“官能化的”芳烴是芳烴底物的衍生物，其中帶有氫原子的sp²-雜化的碳原子在該C-H鍵處進(jìn)行反應(yīng)以產(chǎn)生官能化的芳烴產(chǎn)物，即產(chǎn)物包含芳烴底物結(jié)構(gòu)但其中進(jìn)行反應(yīng)的sp²-雜化的碳原子現(xiàn)在帶有非氫基團(tuán)。一種可能的機(jī)理是，在sp²-雜化的碳原子上的氫原子可以首先被來(lái)自氧化性親電子試劑的主族元素M替代，并且隨后被羥基、氨基、鹵素、羧酰胺基、C＝O加成產(chǎn)物等替代。

在一些實(shí)施方案中，該化合物是雜烷烴。優(yōu)選地，雜烷烴是烷基單酯(例如正丁醇或正丙醇的酯)。在一個(gè)具體的實(shí)施方案中，化合物可以是正丁醇或正丙醇的酯，并且官能化的雜烷烴產(chǎn)物可以分別是1,4-丁二醇或1,3-丙二醇的二酯。

在其他方面，該化合物是芳烴。優(yōu)選地，芳烴包括芳環(huán)體系和/或芳烴包括雜芳環(huán)體系。

在該方法的步驟(b)中，使待官能化的化合物(即雜烷烴或芳烴)與(i)包含氧化形式的主族元素的氧化性親電子試劑或(ii)氧化劑和氧化性親電子試劑的還原形式接觸。在一些實(shí)施方案中，接觸步驟(步驟(b))包括使所述化合物與包含氧化形式的主族元素的氧化性親電子試劑接觸。在其它實(shí)施方案中，步驟(b)包括使所述化合物與氧化劑和氧化性親電子試劑的還原形式接觸。

本文所述的任何方法的氧化性親電子試劑包含主族元素。本文中使用的術(shù)語(yǔ)“主族元素”是指金屬和非金屬，包括CAS IIIA、IVA、VA、VIA和VIIA族的元素，它們是后過(guò)渡元素，即具有比第一過(guò)渡系列的最后一個(gè)元素Zn更高的原子序數(shù)，即原子序數(shù)>30。在一個(gè)實(shí)施方案中，主族元素是選自CAS IIIA、IVA、VA和VIA族的元素。因此，用于本發(fā)明方法的實(shí)踐的氧化性親電子試劑包括具有原子序數(shù)31-35、49-53和81-83的穩(wěn)定同位素形式的元素。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，氧化性親電子試劑包括這樣的至少一種元素，其是原子序數(shù)為31-34、49-52和81-83中任一個(gè)的穩(wěn)定同位素形式。在一些實(shí)施方案中，主族元素具有d¹⁰的電子構(gòu)型。然而，在本發(fā)明的方法的實(shí)踐中使用的氧化性親電子試劑可以具有不同于d¹⁰的電子構(gòu)型。主族元素可以在較高氧化態(tài)(在與烷烴C-H鍵反應(yīng)的氧化性親電子試劑中)和較低氧化態(tài)(親電還原產(chǎn)物，可以通過(guò)原位或獨(dú)立的步驟使氧化性親電子試劑由其再生)之間循環(huán)。通過(guò)這種方式，可以形成用于雜烷烴或芳烴轉(zhuǎn)化(例如轉(zhuǎn)化成雜烷烴或芳烴的含氧化合物)的僅消耗第二氧化劑(例如過(guò)氧化氫、氧或臭氧)的經(jīng)濟(jì)上和環(huán)境上有利的自給體系。在一個(gè)實(shí)施方案中，氧化形式的主族元素處于+n的氧化態(tài)。在其它實(shí)施方案中，對(duì)于由氧化性親電子試劑形成的親電還原產(chǎn)物，主族元素處于+(n-2)或+(n-1)的氧化態(tài)。

如本領(lǐng)域已知的，氧化性親電子試劑可以被稱為軟氧化性親電子試劑。如本文所用的術(shù)語(yǔ)“軟”親電子試劑涉及在硬/軟酸/堿(HSAB)概念(其被稱為Pearson酸堿概念)下的分類，其用術(shù)語(yǔ)“硬”或“軟”以及術(shù)語(yǔ)“酸”或“堿”來(lái)劃分化學(xué)物質(zhì)。術(shù)語(yǔ)“硬”適用于可弱極化的物質(zhì)，而術(shù)語(yǔ)“軟”適用于可強(qiáng)極性的物質(zhì)。參見(jiàn)R.G.Pearson,Chemical Hardness-Applications From Molecules to Solids,Wiley-VCH,Weinheim,1997。

表1是基于Pearson硬和軟理論的示例性物質(zhì)的列表。根據(jù)HSAB理論，在本發(fā)明方法的實(shí)踐中使用的氧化性親電子試劑被分類為軟的，并且包括主族元素如Tl、Pb、Bi、Sb、Se、Te和I的形式。作為其鹽或其化合物，這些元素的較高氧化態(tài)用作用于本發(fā)明方法的實(shí)踐的軟的氧化性親電子試劑。

表1：Pearson硬和軟酸的分類

其它軟酸是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員可以選擇具有合適的氧化態(tài)對(duì)的元素來(lái)實(shí)施本發(fā)明的方法。

在一些實(shí)施方案中，氧化性親電子試劑包含選自鉈、鉛、鉍、銻、硒、碲、碘及其混合物的主族元素，其各自為氧化形式。在一個(gè)具體實(shí)施方案中，氧化性親電子試劑包含選自鉈、鉛、鉍、銻、硒、碲及其混合物的主族元素，它們各自為氧化形式。在Hg、Tl和Pb的情況下，最具活性的氧化形式是具有Xe的電子構(gòu)型5d¹⁰,6s⁰的那些。然而，這不一定是發(fā)生反應(yīng)的體系的電子構(gòu)型，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)具有Kr的電子構(gòu)型4d¹⁰,5s²,5p²的I(III)對(duì)于CH活化是有活性的。在具體實(shí)施方案中，氧化性親電子試劑可以包含鉈(III)、鉛(IV)、鉍(V)、碘(III)、Sb(V)、碘(V)或上述元素的任何混合物。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，氧化性親電子試劑包含鉈(III)、鉛(IV)、鉍(V)、Sb(V)或其任意混合物。在一個(gè)實(shí)施方案中，氧化性親電子試劑包含鉈(III)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，氧化性親電子試劑包含鉛(IV)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，氧化性親電子試劑包含鉍(V)。在又一個(gè)實(shí)施方案中，氧化性親電子試劑包含Sb(V)。

在一些實(shí)施方案中，包含氧化形式的主族元素的氧化性親電子試劑是鹽，其中氧化形式的主族元素的抗衡離子是酸的共軛陰離子(例如，一種或多種三氟乙酸鹽、乙酸鹽、硫酸鹽和/或烷基磺酸鹽陰離子)。例如，氧化性親電子試劑可以具有式M⁺ⁿX_n，其中M是氧化態(tài)為n的金屬或非金屬主族元素陽(yáng)離子，X是陰離子抗衡離子，n是平衡金屬離子的n+正電荷所必需的陰離子電荷的數(shù)目。陰離子抗衡離子(X)是能夠形成親電還原產(chǎn)物(例如包含三氟乙酸鹽、乙酸鹽、硫酸鹽和/或烷基磺酸鹽陰離子中的一種或多種的親電還原產(chǎn)物)的任何合適的陰離子抗衡離子/配體。不希望受任何特定理論的束縛，本發(fā)明人相信M⁺ⁿX_n與雜烷烴或芳烴發(fā)生反應(yīng)以產(chǎn)生式M^+(n-2)X_n-2或M^+(n-1)X_n-1的親電還原產(chǎn)物。優(yōu)選地，這種反應(yīng)在如本文所述的酸性介質(zhì)中進(jìn)行。

在本文所述的任何方法的實(shí)施方案中，反應(yīng)性主族元素與待官能化的化合物(即雜烷烴或芳烴)的反應(yīng)(例如，步驟(b))在酸性介質(zhì)，包括水性酸性介質(zhì)中進(jìn)行。酸性酸是任何合適的酸，例如無(wú)機(jī)酸、羧酸、磺酸、其水溶液或其任何組合。酸性介質(zhì)優(yōu)選包含含氧酸，例如三氟乙酸、乙酸、甲磺酸或其水溶液。如果期望，可以使酸性介質(zhì)再循環(huán)。不希望受理論束縛，發(fā)明人相信形成了活化的X(_n-1)MR初始反應(yīng)產(chǎn)物，其中主族元素可能通過(guò)親電過(guò)程替代雜烷烴或芳烴的C-H鍵的H。令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，通過(guò)使用本文公開(kāi)的組合物和方法，可以在不存在超強(qiáng)酸的情況下，并且在相對(duì)溫和的條件下，例如在300℃以下，優(yōu)選在200℃以下，實(shí)現(xiàn)雜烷烴或芳烴的有效反應(yīng)，以提供活化的中間體(初始反應(yīng)產(chǎn)物)。

該活化的中間體X(_n-1)MR，其中R是雜烷烴或芳烴底物，其中雜烷烴的sp³-雜化的碳原子的氫原子或者芳烴的sp²-雜化的碳原子的氫原子分別被原子M替代，然后其可以與溶劑環(huán)境例如與酸例如三氟乙酸、乙酸、甲磺酸等進(jìn)行反應(yīng)，以提供可分離的產(chǎn)物R-X，即官能化的雜烷烴或芳烴。例如，可以分別形成雜烷基含氧化合物，例如雜烷基酯，例如三氟乙酸酯、乙酸雜烷基酯、甲磺酸雜烷基酯等。然后可以將官能化的雜烷基酯進(jìn)一步水解以產(chǎn)生官能化的雜烷烴產(chǎn)物，其中sp³-雜化的碳原子的氫原子已被羥基代替。對(duì)于芳烴底物，可以設(shè)想類似的機(jī)理，其中芳烴的sp²-雜化的碳原子的氫原子優(yōu)先于sp³-雜化的碳原子的氫原子被官能化?？梢詮幕罨闹虚g體(例如X(_n-1)M-R)化合物獲得其它產(chǎn)物，例如胺化、錫烷化、硫醇化、氧膦基化、羰基化、消除或鹵化反應(yīng)的產(chǎn)物。

本發(fā)明可以提供不需要使用超強(qiáng)酸的用于雜烷烴或芳烴的氧化或官能化的方法，盡管在各種實(shí)施方案中，可以有效地使用超強(qiáng)酸以實(shí)現(xiàn)所期望的轉(zhuǎn)化。如本文所用的術(shù)語(yǔ)超強(qiáng)酸是具有大于或等于濃硫酸的酸度的酸，其具有-12的Hammett酸度函數(shù)(H₀)。市售的超強(qiáng)酸包括濃硫酸以及三氟甲磺酸(CF₃SO₃H)和氟硫酸(HSO₃F)，兩者都比濃硫酸強(qiáng)約一千倍(即具有更負(fù)的H₀值)。

在本發(fā)明的方法中避免使用超強(qiáng)酸的優(yōu)點(diǎn)包括更低的成本、對(duì)反應(yīng)器構(gòu)建材料的不那么嚴(yán)苛的需求、來(lái)自高級(jí)烷烴的產(chǎn)物的提高的穩(wěn)定性以及易于使反應(yīng)環(huán)境的酸性組分再循環(huán)。超強(qiáng)酸可以對(duì)水具有非常高的親合力，因此涉及從水中重新濃縮超強(qiáng)酸的任何方法都會(huì)導(dǎo)致過(guò)高的用于水去除的能量成本。

因此，本發(fā)明提供了對(duì)先前公開(kāi)的使用超強(qiáng)酸的方法的改進(jìn)，因?yàn)榭梢允褂帽?8％的硫酸弱的酸溶劑，例如三氟乙酸、乙酸、甲磺酸、磷酸、水性無(wú)機(jī)酸或有機(jī)酸等，包括其水溶液。在先前公開(kāi)的汞體系或(bpym)PtX₂體系中，需要非常強(qiáng)的酸(超強(qiáng)酸)，例如98％的硫酸或CF₃SO₃H。假定這些體系通過(guò)親電子機(jī)理操作。與該假設(shè)一致，發(fā)現(xiàn)這兩種體系在較弱的、更親核的酸溶劑例如CF₃CO₂H或乙酸中是無(wú)活性的。還提出由于Hg(II)的強(qiáng)氧化性，Hg(II)體系中可能涉及自由基機(jī)理。上述信息表明，較強(qiáng)的親電子試劑和氧化劑，例如Tl(III)、Pb(IV)、Bi(V)等，會(huì)比基于Hg(II)或Pt(II)的親電性較弱的體系具有更差的活性和選擇性。實(shí)際上，觀察到的(bpym)Pt(IV)在較弱酸中無(wú)活性的結(jié)果似乎也支持這種親電抑制模型。因此，自從1993年的Hg(II)體系的報(bào)告以來(lái)，似乎沒(méi)有關(guān)于使用主族陽(yáng)離子進(jìn)行烷烴氧化的工作的報(bào)道。

有趣的是，研究表明，水與強(qiáng)的親電子試劑例如Hg(II)和Tl(III)交換的速率可以是親電子試劑例如Ir(III)、Pt(II)和Pt(IV)的10²⁰倍(F.Basolo,R.G.Pearson,Mechanisms of Inorganic Reactions(Wiley,New York,ed.2,1967))。這種效應(yīng)在概念上可歸因于，具有d¹⁰電子構(gòu)型的陽(yáng)離子(例如Hg(II)和Tl(III))缺乏配體場(chǎng)穩(wěn)定化能(LFSE)，而具有d^<10的電子構(gòu)型的陽(yáng)離子的高LFSE。相反地，強(qiáng)的d¹⁰親電子試劑如Hg(II)、Tl(III)、Pb(IV)和Bi(V)的這些高的交換速率向發(fā)明人表明，預(yù)期中的親電性的增加和C-H活化速率的降低之間的相關(guān)性可能不正確。事實(shí)上，發(fā)明人的研究表明，增加親電性實(shí)際上增加了d¹⁰陽(yáng)離子中C-H活化的速率，其中Pb(IV)>Tl(III)>>Hg(II)(Hashiguchi et al.,Science,343,1232(2014))。這種關(guān)系是有趣的，因?yàn)樗砻鱄g^II在早期的1993年的研究中在CF₃CO₂H中不反應(yīng)，因?yàn)橛H電性不夠高。發(fā)明人的這一非常重要的觀察結(jié)果表明，可以設(shè)計(jì)其它廉價(jià)的、充足的后過(guò)渡金屬陽(yáng)離子，用于烷烴在非超強(qiáng)酸性介質(zhì)中的活化和官能化。鑒于鉍、碘、銻等的低毒性和常用性，基于這些陽(yáng)離子的均相體系的設(shè)計(jì)是特別有吸引力的。

在本文所述的任何實(shí)施方案中，本發(fā)明的方法可以進(jìn)一步包括將官能化的化合物與由氧化性親電子試劑形成的親電還原產(chǎn)物分離。

在本文所述的任何實(shí)施方案中，來(lái)自官能化反應(yīng)的反應(yīng)性主族元素副產(chǎn)物相對(duì)于在初始步驟中使用的試劑處于還原狀態(tài)，并且可以被回收并再循環(huán)回其反應(yīng)性的氧化狀態(tài)。例如，親電還原產(chǎn)物可以與氧化性再生試劑接觸以使氧化性親電子試劑再生。氧化性再生試劑優(yōu)選包含過(guò)氧化物(例如過(guò)氧化氫)、氧、臭氧、硝酸或鹵素(例如氯)。如果反應(yīng)在氧化劑(例如，O₂或H₂O₂)的存在下進(jìn)行，則還原形式可以被原位再氧化，并且反應(yīng)性主族元素會(huì)作為催化劑起作用。在一個(gè)實(shí)施方案中，氧化性再生試劑相對(duì)于雜烷烴或芳烴以至少化學(xué)計(jì)量的量存在。在另一方面，包含氧化形式的主族元素的氧化性親電子試劑相對(duì)于雜烷烴或芳烴以小于化學(xué)計(jì)量的量存在，并且作為催化劑起作用。

在一些實(shí)施方案中，親電還原產(chǎn)物和氧化性再生試劑在氧化性再生催化劑的存在下接觸。氧化性再生催化劑可以包含例如銅、銀、鐵或釩。在一些實(shí)施方案中，當(dāng)使用氧化性再生催化劑時(shí)，氧化性再生試劑相對(duì)于雜烷烴或芳烴以至少化學(xué)計(jì)量的量存在。在其它實(shí)施方案中，沒(méi)有氧化性再生試劑與包含氧化形式的主族元素的氧化性親電子試劑一起存在，并且氧化性親電子試劑相對(duì)于雜烷烴或芳烴以至少化學(xué)計(jì)量的量存在。在這樣的實(shí)施方案中，親電還原產(chǎn)物可以在獨(dú)立的步驟中被氧化回氧化性親電子試劑，例如在如本文所述的雙反應(yīng)器體系中，其在化合物的官能化和用第二氧化劑進(jìn)行的氧化性親電子試劑的再生之間進(jìn)行循環(huán)。

為了提供官能化的化合物，例如官能化的雜烷烴或官能化的芳烴，通過(guò)使雜烷烴或芳烴與氧化性親電子試劑接觸而形成的初始反應(yīng)產(chǎn)物與官能化反應(yīng)物接觸。官能化反應(yīng)物的官能化部分替代初始反應(yīng)產(chǎn)物上的氫，以提供官能化的化合物(例如步驟(c))。官能化反應(yīng)物是能夠形成官能化的化合物的任何合適的試劑。例如，官能化反應(yīng)物可以是含氧酸、肼、羥胺、氨、伯胺、仲胺、亞錫鹽、八面體硫(octasulfur)、烷基硫醇、膦、弱堿、甲醛、一氧化碳或鹵化物。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，官能化反應(yīng)物是含氧酸，并且步驟(c)可以被描述為氧化步驟。

如果必要，步驟(c)可以進(jìn)一步包括使初始反應(yīng)產(chǎn)物和官能化反應(yīng)物與水、氧化劑或這兩者接觸。氧化劑可以是任何合適的試劑，例如氧、臭氧或過(guò)氧化物(例如過(guò)氧化氫)。

不希望受任何具體理論束縛，發(fā)明人認(rèn)為，將雜烷烴或芳烴RH轉(zhuǎn)化為其相應(yīng)的羥基化官能化產(chǎn)物ROH的一種可能的反應(yīng)機(jī)理是圖1中所示的反應(yīng)機(jī)理。在方案1中給出了所提出的三步法的機(jī)理。

方案1：雜烷烴或芳烴(RH)轉(zhuǎn)化為羥基化產(chǎn)物(ROH)

RH+MⁿX_n→RX+HX+M^(n-2)X_n-2 (方程2)

M^(n-2)X_n-2+2HX+1/2O₂→MX_n+H₂O (方程3)

RX+H₂O→ROH+HX (方程4)

凈反應(yīng)：RH+1/2O₂→ROH

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，氧化性物質(zhì)MX_n與雜烷烴或芳烴(RH)反應(yīng)以使官能化產(chǎn)物(RX)和氧化劑的還原形式MX_n-2選擇性地再生，如方程2所示。選擇官能化產(chǎn)物RX以使過(guò)度氧化為不期望的產(chǎn)物如CO₂的過(guò)程最小化。因?yàn)槠谕褂醚踝鳛榭偟难趸瘎钥梢杂脕?lái)自空氣的氧使氧化劑的還原形式MX_n-2再生，如方程3所示。如方程4所示，RX可以被水解成相應(yīng)的醇ROH。凈反應(yīng)是雜烷烴或芳烴(RH)向相應(yīng)的羥基化產(chǎn)物ROH的總轉(zhuǎn)化。如果MX_n與雜烷烴或芳烴的反應(yīng)是容易的話，可以在沒(méi)有催化劑的情況下進(jìn)行方程2的反應(yīng)。然而，也可以使用催化劑。使用MX_n鹽作為可空氣再循環(huán)的化學(xué)計(jì)量的氧化劑而不需要催化劑可以是有利的，以最小化體系的復(fù)雜性和對(duì)于鑒別與雜烷烴和/或芳烴的反應(yīng)相容的單獨(dú)的催化劑和氧化劑的需求。方案1不代表唯一可能的反應(yīng)方案。例如，在一個(gè)反應(yīng)或反應(yīng)器中可以組合方程2和4或者方程2和3或者方程1、2和3。然而，為了最大化選擇性、安全性和降低成本，方案1中所示的三個(gè)步驟可以分別進(jìn)行?？梢允褂闷渌趸瘎├邕^(guò)氧化氫代替氧。

可以使用四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)鑒別用于方案1的方程2的合適的MX_n材料：(A)良好氧化劑，其中MX_n+2e^-+2H⁺MX_n-2+2HX,E^o≈≤-0.5V；(B)與碳形成相對(duì)強(qiáng)的共價(jià)鍵；(C)強(qiáng)的親電性；和(D)與抗衡陰離子X(jué)形成相對(duì)弱的鍵。具有這些特性的物質(zhì)可以被描述為氧化性親電子試劑(例如“軟”的氧化性親電子試劑)。

使用特定的氧化劑Tl(CF₃CO₂)₃作為實(shí)例，在方案2中提出了使雜烷烴或芳烴(RH)羥基化的機(jī)理。

方案2

Tl(CF₃CO₂)₃+RH→Tl(CF₃CO₂)+CF₃CO₂R+CF₃CO₂H (方程5)

Tl(CF₃CO₂)+1/2O₂+2CF₃CO₂H+Tl(CF₃CO₂)₃+H₂O (方程6)

CF₃CO₂R+H₂O→ROH+CF₃CO₂H (方程7)

凈反應(yīng)：RH+1/2O₂→ROH

圖2是使用便宜的氣-液鼓泡柱反應(yīng)器的連續(xù)反應(yīng)器體系的工藝設(shè)計(jì)。圖2的體系與所提出的方案2的機(jī)理的相關(guān)性如下：Ox是Tl(CF₃CO₂)₃，H₂Ox是Tl(CF₃CO₂)，且方案2的方程5和7在烴氧化反應(yīng)器(10)中組合。從ROA閃蒸分離器(20)中將最終產(chǎn)物ROH與H₂Ox分離。Ox和H₂Ox在氧化劑再生器(30)中的烴氧化器(20)之間循環(huán)。

使用Ox作為可空氣再生的化學(xué)計(jì)量試劑的另一種可能的方法設(shè)計(jì)示于圖3中。該方案的中心方面是使用兩個(gè)平行的反應(yīng)器，其中雜烷烴或芳烴(RH)和氧(1/2O₂)反應(yīng)物在兩個(gè)反應(yīng)器之間切換以允許連續(xù)處理。如果在兩個(gè)反應(yīng)器之間的泵送是不可行的，則可以利用這種工藝設(shè)計(jì)。該方法可以用引導(dǎo)至圖3中所述反應(yīng)器的反應(yīng)物以如下引發(fā)：A→C，D→B，E→G，和H→F(循環(huán)1)。通過(guò)與氧化劑MX_n反應(yīng)而使雜烷烴或芳烴轉(zhuǎn)化成期望的產(chǎn)物可以在一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行，同時(shí)氧化劑的還原形式MX_n-2通過(guò)空氣的再生在另一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行。在與雜烷烴或芳烴反應(yīng)之后，氧化劑MX_n被轉(zhuǎn)化為還原形式MX_n-2。與該過(guò)程同時(shí)，還原形式MX_n-2用空氣氧化為氧化劑MX_n。將雜烷烴或芳烴和空氣進(jìn)料切換到反應(yīng)器以允許用于將雜烷烴或芳烴和空氣轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的醇的連續(xù)方法。在這些作用的一個(gè)實(shí)施方案中，溶劑可以是陰離子X(jué)的相應(yīng)的酸HX。然而，反應(yīng)可以用其它溶劑或潛在地甚至作為高度分散的固體來(lái)進(jìn)行。圖3提供了可選的合適循環(huán)的實(shí)例：

循環(huán)1:A→C和D→B

E→G和H→F

循環(huán)2:A→B和D→C

E→F和H→G

循環(huán)3:A→C和D→B

E→G和H→F

循環(huán)4:A→B和D→C

E→F和H→G

等。

雜烷烴和芳烴的官能化的具體實(shí)例概述如下。

二官能化的烷烴例如1,4-丁二醇或1,3-丙二醇是高度有價(jià)值的物質(zhì)。如從下面的方案3和4明顯看出的，這些物質(zhì)的合成涉及從簡(jiǎn)單烷烴開(kāi)始的多個(gè)步驟。這些合成是非常昂貴的過(guò)程，其是資金和能量密集型的并產(chǎn)生過(guò)多排放物。

方案3.1,4-丁二醇的商業(yè)合成

方案4.1,3-丙二醇的商業(yè)合成

需要較少能量和資金的將烷烴以較少步驟直接轉(zhuǎn)化為這些二醇的方法是更清潔和更便宜的。例如，這樣的通過(guò)CH活化反應(yīng)將烷烴轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的醇的方法如方案5所示。

方案5.通過(guò)直接氧化合成1,4-丁二醇和1,3-丙二醇

已報(bào)道了基于主族陽(yáng)離子例如TlX₃、PbX₄、IX₃等的幾種潛在的實(shí)用體系用于未取代烷烴的轉(zhuǎn)化(Hashiguchi,et al.,Science,343,1232(2014)及其中的參考文獻(xiàn)；和Konnick et al.,Angew.Chem.Int.Ed.,53,10490-10494(2014)及其中的參考文獻(xiàn))。這些主族體系的一個(gè)關(guān)鍵方面是反應(yīng)通過(guò)親電的CH活化進(jìn)行，并且從相應(yīng)的含氧酸溶劑產(chǎn)生高區(qū)域選擇性的含氧酯。該結(jié)果的主要原因是相應(yīng)的酸(例如CF₃CO₂H)的酯基(例如CF₃CO₂-)是吸電子的。因此，含氧酯(例如CF₃CO₂-CH₃)的α-CH鍵相對(duì)于親電的CH活化反應(yīng)的反應(yīng)性比母體烷烴CH₄的CH鍵低得多。這種效應(yīng)可以導(dǎo)致高選擇性反應(yīng)。

除了α-CH鍵之外，β-CH鍵的反應(yīng)性較低。然而，這種“保護(hù)”效應(yīng)隨著進(jìn)行反應(yīng)的CH鍵與酯基之間的鍵的數(shù)目的增加而減弱。因此，CH鍵相對(duì)于酯基的相對(duì)反應(yīng)性以α<β<γ<δ<ε等的順序增加。根據(jù)這些反應(yīng)的相對(duì)速率，該效應(yīng)可用于合成1,3-丙二醇或1,4-丁二醇。因此，如方案6所示，正丁基TFA酯(X＝TFA＝CF₃CO₂)的反應(yīng)選擇性地生成1,4-二酯。

方案6：根據(jù)本發(fā)明的方法的雜烷烴的官能化

先前已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明就是這種情況。C₆F₅I(TFA)₂可以以高選擇性使烷烴(RH)選擇性地轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的TFA-酯(Konnick et al.,Angew.Chem.Int.Ed.,53,10490-10494(2014)及其中的參考文獻(xiàn))。圖4顯示來(lái)自正丁基TFA，1與C₆F₅I(TFA)₂在HTFA中的反應(yīng)的粗反應(yīng)混合物的NMR光譜?？梢钥闯?，反應(yīng)中生成的唯一物質(zhì)2是1,4-丁二醇的1,4-二酯。因此，發(fā)明人出乎意料地發(fā)現(xiàn)，可以提供雜烷烴(例如烷基酯)的區(qū)域選擇性官能化，以產(chǎn)生烷基二酯，該烷基二酯在遠(yuǎn)離酯基的烷基鏈上的碳原子上被選擇性地官能化。類似的反應(yīng)已經(jīng)應(yīng)用于芳烴底物。

因此，在某些實(shí)施方案中，C-H鍵活化反應(yīng)性中間體可與為含氧酸(例如三氟乙酸、乙酸、甲磺酸、其水溶液及其組合)的官能化反應(yīng)物接觸。如果需要，官能化的化合物可以被水解以形成期望的最終產(chǎn)物，例如醇或二醇。

除了醇和二醇之外，可以使用類似的反應(yīng)順序以產(chǎn)生氨基醇，例如乙醇胺或丙醇胺，以胺化合物作為前體開(kāi)始。

通過(guò)使初始反應(yīng)產(chǎn)物與含氮的官能化反應(yīng)物(例如肼、羥胺、氨、氨、伯或仲胺或等同物)接觸，C-H鍵活化反應(yīng)性中間體可用于制備起始雜烷烴或芳烴的胺衍生物。肼或羥胺試劑可以是未取代的或可以被例如烷基或芳基等取代。C-H鍵活化反應(yīng)性中間體與含氮的官能化反應(yīng)物的反應(yīng)可以原位進(jìn)行，或者可以例如在液-液萃取之后在分離的產(chǎn)物流上進(jìn)行?？梢酝ㄟ^(guò)氧化步驟來(lái)回收親電還原產(chǎn)物和使其再循環(huán)，并且起始雜烷烴或芳烴的胺衍生物可以被回收和進(jìn)一步純化、進(jìn)一步反應(yīng)或這兩者。

通過(guò)使初始反應(yīng)產(chǎn)物與甲錫烷基化官能化反應(yīng)物(例如亞錫鹽)在氧化劑的存在下反應(yīng)，可以將C-H鍵活化反應(yīng)性中間體轉(zhuǎn)化成有機(jī)錫(錫烷)化合物。已知有機(jī)錫化合物在多種反應(yīng)中作為多功能的合成中間體。

在一些實(shí)施方案中，可以用含硫官能化反應(yīng)物如S₈或烷基硫醇處理C-H鍵活化反應(yīng)性中間體，以提供硫醇化的雜烷烴或芳烴。所獲得的有機(jī)硫產(chǎn)物可以是硫醇、二硫化物或硫醚?？梢酝ㄟ^(guò)硫原子的氧化而將這些化合物進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為亞砜和砜。

在進(jìn)一步的實(shí)施方案中，可以進(jìn)一步處理C-H鍵活化性反應(yīng)中間體以提供對(duì)應(yīng)于起始雜烷烴或芳烴的羧酰胺基衍生物。例如，初始反應(yīng)產(chǎn)物可以任選地在氧化劑存在下與甲酰化試劑例如甲醛和胺反應(yīng)，以產(chǎn)生具有側(cè)鏈羧酰胺基的起始雜烷烴或芳烴的同系衍生物，其中額外的碳原子已被添加至底物分子。

C-H鍵活化反應(yīng)性中間體可以與膦進(jìn)行隨后的反應(yīng)，以提供對(duì)應(yīng)于原料的氧膦基化的雜烷烴或芳烴。使用三取代的膦可以提供鏻鹽，而使用單-或二取代的膦可以提供類似的膦衍生物。

可以通過(guò)用非常弱的堿(例如弱酸的共軛堿，包括乙酸鹽和三氟乙酸鹽)處理，使雜烷烴的C-H鍵活化反應(yīng)性中間體經(jīng)歷消除反應(yīng)，產(chǎn)生雜烯烴。然后可以將所得的雜烯烴環(huán)氧化、轉(zhuǎn)化為二醇等。

C-H鍵活化反應(yīng)性中間體例如與一氧化碳的羰基化反應(yīng)可以提供?；衔?，其是起始雜烷烴或芳烴的同系物，其具有添加的額外的碳原子。取決于反應(yīng)條件，所獲得的?；衔锢缛?、羧酸或羧酰胺，可以進(jìn)行進(jìn)一步的轉(zhuǎn)化，例如本領(lǐng)域所公知的那些。

C-H鍵活化反應(yīng)性中間體可以例如通過(guò)使用鹵化物和本文所述的氧化劑(例如O₂)進(jìn)行鹵化反應(yīng)以提供起始雜烷烴或芳烴的鹵代烴衍生物。

官能化反應(yīng)(例如步驟(c))可以使用任何合適的條件進(jìn)行。例如，可以使用與用于使雜烷烴或芳烴與氧化性親電子試劑接觸的反應(yīng)器分離的反應(yīng)器，其允許次級(jí)反應(yīng)與初始反應(yīng)器中存在的試劑分離。在此階段，可以如本文所述在氧化過(guò)程中回收親電還原產(chǎn)物和使其再循環(huán)，以使進(jìn)行官能化反應(yīng)(例如步驟(c))所需的高氧化態(tài)的氧化性親電子試劑再生。

通過(guò)以下實(shí)施方案進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。

(1)一種制備官能化的化合物的方法，所述方法包括：

(a)提供雜烷烴或芳烴化合物，

其中

所述雜烷烴包含至少一個(gè)帶有氫原子的sp³-雜化的碳原子和至少一個(gè)不同于碳或氫原子的雜原子，且

所述芳烴包含至少一個(gè)帶有氫原子的sp²-雜化的碳原子，并且任選包含

(i)一個(gè)或多個(gè)sp³-雜化的碳原子，

(ii)一個(gè)或多個(gè)雜原子，或

(iii)(i)和(ii)兩者，

(b)使所述化合物與以下物質(zhì)接觸以提供初始反應(yīng)產(chǎn)物，

(i)包含氧化形式的主族元素的氧化性親電子試劑，或

(ii)氧化劑和所述氧化性親電子試劑的還原形式，和

(c)使所述初始反應(yīng)產(chǎn)物與官能化反應(yīng)物接觸，其中所述官能化反應(yīng)物的官能化部分替代所述初始反應(yīng)產(chǎn)物上的氫以提供所述官能化的化合物。

(2)根據(jù)實(shí)施方案(1)所述的方法，其中步驟(b)包括使所述化合物與包含氧化形式的主族元素的氧化性親電子試劑接觸。

(3)根據(jù)實(shí)施方案(1)所述的方法，其中步驟(b)包括使所述化合物與氧化劑和氧化性親電子試劑的還原形式接觸。

(4)根據(jù)實(shí)施方案(1)-(3)中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述氧化性親電子試劑包含各自為氧化形式的鉈、鉛、鉍、銻、硒、碲或其混合物。

(5)根據(jù)實(shí)施方案(4)所述的方法，權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述氧化性親電子試劑包含氧化形式的碘，優(yōu)選碘(III)或碘(V)。

(6)根據(jù)實(shí)施方案(1)-(4)中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述氧化性親電子試劑包含氧化形式的碘，優(yōu)選碘(III)或碘(V)。

(7)根據(jù)實(shí)施方案(1)-(6)中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述氧化性親電子試劑是鹽，所述鹽包含氧化形式的主族元素的抗衡離子，并且其中所述抗衡離子是酸的共軛陰離子。

(8)根據(jù)實(shí)施方案(1)-(7)中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述氧化形式的主族元素處于+n的氧化態(tài)，并且其中對(duì)于由所述氧化性親電子試劑形成的親電還原產(chǎn)物，所述元素為+(n-2)或+(n-1)的氧化態(tài)。

(9)根據(jù)實(shí)施方案(1)-(8)中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述氧化性親電子試劑具有式M⁺ⁿX_n，其中M是氧化態(tài)為n的金屬或非金屬主族元素陽(yáng)離子，X是陰離子抗衡離子，并且n是平衡金屬離子的n+正電荷所必需的陰離子電荷的數(shù)目。

(10)實(shí)施方案(9)所述的方法，其中式M⁺ⁿX_n的氧化性親電子試劑與雜烷烴或芳烴反應(yīng)，以產(chǎn)生式M^+(n-2)X_n-2或M^+(n-1)X_n-1的親電還原產(chǎn)物。

(11)根據(jù)實(shí)施方案(1)-(10)中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述氧化性親電子試劑包含三氟乙酸根、乙酸根、硫酸根或烷基磺酸根陰離子中的一種或多種。

(12)實(shí)施方案(1)-(11)中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述步驟(b)的接觸在酸性介質(zhì)中進(jìn)行。

(13)實(shí)施方案(12)所述的方法，其中所述酸性介質(zhì)是水性酸性介質(zhì)。

(14)實(shí)施方案(12)或?qū)嵤┓桨?13)所述的方法，其中所述酸性介質(zhì)包含無(wú)機(jī)酸、羧酸、磺酸或其任意組合。

(15)根據(jù)實(shí)施方案(1)-(14)中任一項(xiàng)所述的方法，其還包括將官能化的化合物與由氧化性親電子試劑所形成的親電還原產(chǎn)物分離。

(16)根據(jù)實(shí)施方案(15)所述的方法，其還包括使分離的親電還原產(chǎn)物與氧化性再生試劑接觸以使所述氧化性親電子試劑再生，其中所述氧化性再生試劑優(yōu)選包含過(guò)氧化氫、氧、臭氧、硝酸或鹵素。

(17)實(shí)施方案(16)所述的方法，其中使所述親電還原產(chǎn)物和所述氧化性再生試劑在氧化性再生催化劑的存在下接觸，其中所述氧化性再生催化劑優(yōu)選包含銅、銀、鐵或釩。

(18)根據(jù)實(shí)施方案(17)所述的方法，其中所述氧化性再生試劑相對(duì)于所述化合物以至少化學(xué)計(jì)量的量存在。

(19)根據(jù)實(shí)施方案(1)-(18)中任一項(xiàng)所述的方法，其中包含氧化形式的主族元素的所述氧化性親電子試劑相對(duì)于所述雜烷烴或芳烴以小于化學(xué)計(jì)量的量存在，并且作為催化劑起作用。

(20)根據(jù)實(shí)施方案(1)-(15)中任一項(xiàng)所述的方法，其中沒(méi)有氧化性再生試劑與包含氧化形式的主族元素的所述氧化性親電子試劑一起存在；并且所述氧化性親電子試劑相對(duì)于所述化合物以至少化學(xué)計(jì)量的量存在。

(21)根據(jù)實(shí)施方案(1)-(20)中任一項(xiàng)所述的方法，其中步驟(c)還包括使所述初始反應(yīng)產(chǎn)物和所述官能化反應(yīng)物與水、氧化劑或這兩者接觸。

(22)根據(jù)實(shí)施方案(1)-(21)中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述官能化反應(yīng)物選自由含氧酸、肼、羥胺、氨、伯胺、仲胺、亞錫鹽、八面體硫、烷基硫醇、膦、弱堿、甲醛、一氧化碳和鹵化物組成的組。

(23)根據(jù)實(shí)施方案(1)-(22)中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述化合物是雜烷烴。

(24)根據(jù)實(shí)施方案(23)所述的方法，其中所述雜烷烴是烷基單酯。

(25)根據(jù)實(shí)施方案(24)所述的方法，其中所述雜烷烴是正丁醇或正丙醇的酯，并且官能化的雜烷烴產(chǎn)物分別是1,4-丁二醇或1,3-丙二醇的二酯。

(26)根據(jù)實(shí)施方案(1)-(22)中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述化合物是芳烴。

(27)根據(jù)實(shí)施方案(26)所述的方法，其中所述芳烴包含芳環(huán)體系。

(28)根據(jù)實(shí)施方案(26)所述的方法，其中所述芳烴包含雜芳環(huán)體系。

以下實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，但是當(dāng)然，其不應(yīng)被解釋為以任何方式限制本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例1

本實(shí)施例說(shuō)明了包含氧化形式的主族元素的氧化性親電子試劑用于使芳烴苯的C-H鍵活化和官能化的用途。

發(fā)現(xiàn)C₆F₅I⁽⁺³⁾(TFA)₂(1)有效地用于在較低溫度(125℃)下將苯(PhH)選擇性單官能化為PhTFA。將該反應(yīng)的溫度降低至100℃導(dǎo)致1的完全消耗和在溶液中產(chǎn)生新的物質(zhì)，其通過(guò)¹H-和¹⁹F-NMR初步鑒定為二芳基-λ³-碘[C₆F₅-I^III-C₆H₅][TFA](3)，并僅觀察到痕量的PhTFA和C₆F₅-I^I(2)。在125℃下進(jìn)一步加熱該溶液導(dǎo)致3完全轉(zhuǎn)化為PhTFA和2。該觀察結(jié)果與3在PhH向PhTFA的轉(zhuǎn)化中作為中間體一致(方案7)。

方案7

實(shí)施例2

本實(shí)施例說(shuō)明了包含氧化形式的主族元素的氧化性親電子試劑用于使芳烴甲苯的C-H鍵活化和官能化的用途。

研究了含有均裂的弱芐基CH鍵的甲苯與C₆F₅I⁽⁺³⁾(TFA)₂(1)的反應(yīng)性。使用標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)條件(例如3h，150℃)，觀察到p-MeC₆H₄TFA和o-MeC₆H₄TFA以約3:1的比率定量產(chǎn)生(基于開(kāi)始的[1])；且沒(méi)有形成由自由基路徑所預(yù)期的任何芐基氧官能化的產(chǎn)物(方案8)。

方案8

顯然，相對(duì)于甲基的sp³-雜化的碳原子的官能化，芳基環(huán)的sp²-雜化的碳原子的官能化是有利的。

實(shí)施例3

該實(shí)施例說(shuō)明了包含氧化形式的主族元素的氧化性親電子試劑用于使芳烴苯的C-H鍵活化和官能化的用途。

在25℃下使Pb(TFA)₄與苯(PhH)在三氟乙酸(TFAH)中反應(yīng)，從而以80％的產(chǎn)率提供選擇性單官能化的產(chǎn)物PhTFA(方案9)。反應(yīng)非常容易，因?yàn)榉磻?yīng)幾乎在室溫下即刻發(fā)生。

方案9

實(shí)施例4

本實(shí)施例說(shuō)明了包含氧化形式的主族元素的氧化性親電子試劑用于使芳烴甲苯的C-H鍵活化和官能化的用途。

研究了含有均裂的弱芐基CH鍵的甲苯與Pb(TFA)₄的反應(yīng)性。溫和的反應(yīng)條件(例如，室溫和TFAH)僅產(chǎn)生p-MeC₆H₄-TFA產(chǎn)物(>95％產(chǎn)率)，沒(méi)有形成由自由基路徑所預(yù)期的任何芐基氧官能化的產(chǎn)物(方案10)。

方案10

實(shí)施例5

本實(shí)施例說(shuō)明了包含氧化形式的主族元素的氧化性親電子試劑用于使雜烷烴三氟乙酸正丁酯的C-H鍵活化和官能化的用途。

向具有玻璃內(nèi)襯和磁力攪拌棒的兩個(gè)小(3mL)的高壓反應(yīng)器中各自裝入1.0mL的250mM的C₆F₅-I(TFA)₂在100mM的三氟乙酸酐(TFAA)/三氟乙酸(TFAH)中的溶液。向每個(gè)反應(yīng)器中還加入17μL(17.3mg，0.1mmol)的三氟乙酸正丁酯。將反應(yīng)器用500psig的氬氣進(jìn)行壓力脫氣8次；然后充入500psig的氬氣并密封。然后將反應(yīng)器在1000rpm攪拌下在150℃下加熱3小時(shí)。完成后，將反應(yīng)器冷卻至室溫，并釋放壓力。向每種溶液中裝入100μL的31.32mM的CH₂Cl₂在TFAH中的溶液作為內(nèi)標(biāo)；并通過(guò)¹H-NMR分析產(chǎn)物。分析表明生成1,4-二(三氟乙酰氧基)丁烷作為主要產(chǎn)物(5mM，5％產(chǎn)率)，剩余的物料為原料三氟乙酸正丁酯。

實(shí)施例6

該實(shí)施例說(shuō)明了包含氧化形式的主族元素的氧化性親電子試劑用于使雜烷烴三氟乙酸正丁酯的C-H鍵活化和官能化的用途。

向具有玻璃內(nèi)襯和磁力攪拌棒的兩個(gè)大(15mL)的高壓反應(yīng)器中各自裝入2.0mL的300mM的Tl(TFA)₃在TFAH中的溶液。向每個(gè)反應(yīng)器中還加入0.1mL(102mg，0.6mmol，相對(duì)于氧化劑為1當(dāng)量)的三氟乙酸正丁酯。將反應(yīng)器用500psig的氬氣進(jìn)行壓力脫氣5次；然后充入500psig的氬氣并密封。然后將反應(yīng)器在1000rpm攪拌下在180℃下加熱3小時(shí)。完成后，將反應(yīng)器冷卻至室溫，并釋放壓力。向每種溶液中裝入0.2mL的300mM的CH₂Cl₂在TFAH中的溶液作為內(nèi)標(biāo)；并通過(guò)¹H-NMR分析產(chǎn)物。分析表明生成1,4-二(三氟乙酰氧基)丁烷作為主要產(chǎn)物(8mM，3％產(chǎn)率)，剩余的物料為原料三氟乙酸正丁酯。

本文引用的所有參考文獻(xiàn)，包括出版物、專利申請(qǐng)和專利，在此通過(guò)引用并入本文，其程度如同每個(gè)參考文獻(xiàn)被單獨(dú)地和具體地視為通過(guò)引用并入本文作為參考并且在本文中給出其全部?jī)?nèi)容。

在描述本發(fā)明的上下文(特別是在所附權(quán)利要求書的上下文中)中，術(shù)語(yǔ)“一個(gè)(a)”、“一個(gè)(an)”和“該(the)”和“至少一個(gè)(at least one)”和類似術(shù)語(yǔ)的使用應(yīng)被解釋為覆蓋單數(shù)和復(fù)數(shù)這兩者，除非本文另有說(shuō)明或與上下文明顯矛盾。使用術(shù)語(yǔ)“至少一個(gè)”，隨后列出一個(gè)或多個(gè)項(xiàng)目(例如，“A和B中的至少一個(gè)”)應(yīng)被解釋為表示所列出的項(xiàng)目中的一個(gè)(A或B)或所列項(xiàng)目中的兩個(gè)或更多個(gè)的任何組合(A和B)，除非本文另有說(shuō)明或與上下文明顯矛盾。除非另有說(shuō)明，否則術(shù)語(yǔ)“包含(comprising)”，“具有(having)”，“包括(including)”和“含有(containing)”應(yīng)被解釋為開(kāi)放式術(shù)語(yǔ)(即意味著“包括但不限于”)。除非本文中另有說(shuō)明，否則本文中數(shù)值范圍的列舉僅意在用作單獨(dú)提及落在該范圍內(nèi)的每個(gè)單獨(dú)值的簡(jiǎn)寫方法，并且每個(gè)單獨(dú)值被并入本說(shuō)明書中，如同其在本文中單獨(dú)列舉一樣。本文所述的所有方法可以以任何合適的順序進(jìn)行，除非本文另有說(shuō)明或與上下文明顯矛盾。本文提供的任何和所有實(shí)施例或示例性語(yǔ)言(例如，“諸如”)的使用僅旨在更好地說(shuō)明本發(fā)明，而不對(duì)本發(fā)明的范圍構(gòu)成限制，除非另有聲明。說(shuō)明書中的語(yǔ)言不應(yīng)被解釋為指示任何未要求保護(hù)的要素對(duì)于實(shí)施本發(fā)明是必要的。

本文描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，包括發(fā)明人已知的用于實(shí)施本發(fā)明的最佳模式。在閱讀前面的描述之后，那些優(yōu)選實(shí)施方案的變型對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。發(fā)明人期望技術(shù)人員適當(dāng)?shù)夭捎眠@樣的變化，并且發(fā)明人意圖以本文具體描述以外的方式實(shí)施本發(fā)明。因此，本發(fā)明包括適用的法律所允許的所附權(quán)利要求書中所述主題的所有修改和等同物。此外，除非在本文中另有說(shuō)明或與上下文明顯矛盾，否則本發(fā)明涵蓋上述要素在其所有可能變型中的任何組合。